程東亞, 李旭東

(貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 貴陽 550025)

水熱資源作為重要的自然資源，對社會發(fā)展影響深刻[1-3]。隨著全球氣候變化加劇，氣溫降水異常情況頻繁，人類更重視氣象氣候科學(xué)研究[4-5]。受地理環(huán)境影響，山區(qū)不可能建設(shè)密集的氣象站點。因此，進行空間插值是獲取氣溫與降水空間分布的重要途徑之一。

空間插值方法較多，如樣條函數(shù)法[6]、反距離權(quán)重法[7]、克里金法(又稱克里格法)[8]等，這些方法在氣象研究中被廣泛應(yīng)用。如莊立偉等[9]采用Kriging，IDW，GIDW對東北氣象要素插值，結(jié)果表明GIDW對溫度插值精度高，IDW對降水插值適合。彭彬等[10]采用普通克里格和協(xié)同克里格等對江蘇氣溫插值，并探究高程、經(jīng)緯度及距海遠近對插值效果影響。張莉莉等[11]對海南島氣象要素插值，結(jié)果表明混合插值法在該地最優(yōu)。譚劍波等[12]采用Cokriging和Anusplin對青藏高原東南部氣象要素插值，表明Anusplin更適合該區(qū)域。段晉芳等[13]對山西永慶河流域降水插值，認為Kriging在該區(qū)域更好。另外，Pereira等[14]對Sierra Nevada插值，探究地形等對氣象要素影響，以及Li等[15]對降雨插值研究。以上文獻看，氣溫與降水插值研究較為豐富，涉及不同尺度。但當(dāng)前文獻更多探究氣溫降水空間分布特征，對地形因素探究相對較少。

文章選取地形條件復(fù)雜(海拔落差超2 000 m)、喀斯特分布廣泛(流域內(nèi)巖溶地貌分布廣泛)、社會經(jīng)濟條件差異懸殊(既有經(jīng)濟發(fā)展水平較高區(qū)域，又有相對貧困地區(qū))的貴州烏江流域(約26.14°—29.22°N，104.32°—108.79°E)為研究對象，探究氣溫降水空間分布特征和地形影響。文章意義表現(xiàn)在：(1) 地形復(fù)雜的西南山地流域，氣候要素變化具有復(fù)雜性，河流上中下游氣象要素差異對社會經(jīng)濟發(fā)展影響不同；(2) 西南山地流域生態(tài)環(huán)境較脆弱，以流域為單元探究氣象要素空間分布有利于流域開發(fā)和生態(tài)保護；(3) 氣溫降水對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有直接影響，探究氣溫降水分布特征及水熱組合有利于流域農(nóng)業(yè)開發(fā)“因地制宜”。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

氣溫降水?dāng)?shù)據(jù)來源于國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(http:∥data.cma.cn)中國(貴州)地面累年值年值數(shù)據(jù)集(1981—2010年)。DEM數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http:∥www.gscloud.cn)，分辨率為30 m。選取31個有效站點，參考以往研究[16-17]，27個站點(87.10%)作為插值站點，4個站點(12.90%)作為檢驗站點。在不影響插值效果前提下，檢驗站點盡量分布流域不同位置(圖1)。氣象站點海拔數(shù)據(jù)采用DEM獲取，可反映氣象站點大致海拔高度。

1.2 插值方法

地理空間插值具有誤差，本文使用多種方法分析氣溫與降水空間特征，具有實際應(yīng)用意義。介紹克里金法(Kriging)、樣條函數(shù)法(Spline)、反距離權(quán)重法(IDW)書籍和文獻較多，表達式為：

(1) 克里金法(Kriging)[18]。

(1)

式中：Zb為待估計值；Zn為已知值；Wn為權(quán)重；S為估算樣本點數(shù)目。

(2) 樣條函數(shù)法(Spline)。樣條函數(shù)法有幾種不同函數(shù)，薄板樣條函數(shù)(Thin-plate Splines)為例，表達式為[18]:

在油田企業(yè)的日常運營中，每天都會產(chǎn)生海量的信息，其中仍然具有利用、保存或借鑒價值的，被整理成檔案，由專門的檔案管理機構(gòu)進行管理。信息化數(shù)據(jù)運行管理的原則之一，就是高效率地完成檔案的收集、管理和利用等工作。例如，在檔案收集方面，要利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，將油田企業(yè)各部門產(chǎn)生的數(shù)據(jù)第一時間收集起來，避免出現(xiàn)珍貴數(shù)據(jù)丟失等問題。此外，部分檔案仍然具有借鑒和利用價值，當(dāng)油田企業(yè)某個部門需要這些檔案時，檔案管理部門還要盡快地進行檔案查找，為各部門工作開展提供幫助。

(2)

式中：m，n為待插值點坐標(biāo)；Di2=(m-mi)2+(n-ni)2；mi，ni是相應(yīng)控制點m，n的坐標(biāo)。

(3) 反距離權(quán)重法(IDW)[18]。

(3)

式中：Zb為估計值；Zi為已知點i數(shù)值；di為i與a距離；S為已知點數(shù)目；k為冪。

1.3 誤差檢驗方法

文章采用多種方法探究氣溫和降水空間分布特征，氣溫與降水分布的地形影響采用最優(yōu)插值方法分析。采用均方根誤差(Root-Mean-Square Error，RMSE)檢驗插值精度，越小說明插值效果越好，表達式為[17-18]：

(4)

式中：RMSE為均方根誤差；Zi為已知值；Zx為估計值。

1.4 地理加權(quán)回歸

地理加權(quán)回歸(Geographically Weighted Regression，GWR)是空間回歸模型，采用GWR探究地形對氣溫降水影響，表達式為[19]：

(5)

式中：(ui,vi)為某區(qū)域地理坐標(biāo)中心；b0為常數(shù)；b1為自變量回歸系數(shù)；xij為自變量；δi為誤差。

2 氣溫與降水空間分布特征

2.1 氣溫空間分布特征

氣溫在流域東北部大致呈東西向降低(圖2)，即從沿河—務(wù)川—正安、沿河—德江—鳳岡方向逐漸降低。不同方法降低具有局部差異，IDW在流域東北有道真、務(wù)川兩個低溫中心，Kriging，Spline小范圍低高溫中心少于IDW。Kriging無明顯小范圍低高溫中心，該方法在開陽周邊存在較大范圍低溫中心。Spline低溫中心兩處較明顯，一是開陽周邊，二是清鎮(zhèn)周邊。Kriging與IDW在流域西北畢節(jié)—赫章差異小，僅低溫范圍不同。但Spline在該區(qū)域13.5℃以下出現(xiàn)間隔，有別另外兩種方法，赫章西部出現(xiàn)另一低溫中心。流域南部普定—花溪—貴定，IDW有幾處小范圍高溫中心，Kriging和Spline則呈帶狀，即南北降低(花溪—白云降低)，東西延伸(普定—平壩—花溪—龍里)。流域中部，3種插值差異明顯。Kriging中，除白云、修文、甕安等外，氣溫變化和緩，以開陽為低溫中心向周邊緩慢升高。Spline插值低溫區(qū)擴大，包括開陽—甕安較大范圍。IDW呈2個相對分散低溫中心，即開陽—修文連成低溫中心，甕安單獨成低溫中心。總體看，IDW有多處局部高低溫中心，Kriging、Spline氣溫分布整體呈帶狀。

圖2 貴州烏江流域氣溫空間分布特征

2.2 降水空間分布特征

3種插值(圖3)在流域西部變化密集，但密集程度有差異。Kriging，Spline插值在流域變化密集最明顯是織金—畢節(jié)和織金—黔西一帶。但該區(qū)IDW降水密集程度不明顯，且降水高值中心小于Kriging，Spline。該區(qū)域IDW高降水中心在織金和普定兩側(cè)延伸距離短、面積小。另外，IDW在該區(qū)域變化趨勢雖呈南北向遞減，但等降水線相對和緩。流域東北鳳岡—德江屬小范圍降水高值中心，降水多于周邊。3種插值方法在鳳岡—德江一帶高值中心范圍有差異。Kriging降水高值中心呈東北—西南狹長分布，向周邊緩慢擴散。但Spline降水高值中心范圍大，降水量從內(nèi)到外均勻減少。IDW在流域東北插值和緩，降水變化較慢。IDW降水向周邊降低過程中，并非Kriging和Spline呈橢圓變化，而是不規(guī)則面狀。Kriging在中部無明顯拓展，呈現(xiàn)以開陽為中心均勻降水區(qū)。Spline出現(xiàn)明顯高值降水中心，以開陽為中心向周邊減少。IDW在中部單一降水中心多，如開陽為中心高值降水中心，花溪為中心降水低值中心。黔西周邊較特殊，屬降水低值中心?？傮w看，Spline較均勻呈條帶狀，IDW多區(qū)域中心且變化和緩，Kriging介于兩者間。

圖3 貴州烏江流域降水空間分布特征

2.3 插值精度對比分析

氣溫與降水插值數(shù)據(jù)通過ArcGIS提取，用RMSE檢驗。插值對比結(jié)果顯示(表1)，Spline插值氣溫與降水最大值和最小值差異較大，極差達7.68，654.03，而Kriging和IDW插值差異相對較小。氣溫插值檢驗中(表2)，IDW，Kriging，Spline的RMSE分別為0.53，0.79，1.28，IDW插值最好。降水插值檢驗中，IDW，Kriging，Spline的RMSE分別為33.94，17.11，36.95，Kriging效果最好。因此，探究氣溫降水空間分布特征的地形影響，文章采用Kriging(降水)和IDW(氣溫)。

表1 氣溫與降水插值最大值、最小值、極差對比

表2 氣溫與降水插值精度對比

2.4 水熱組合空間分布特征

水熱組合對農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義，水熱組合良好則有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，反則不利。不考慮季節(jié)變化因素和喀斯特地下水下滲、多溶洞等復(fù)雜情況，則水熱充足更利農(nóng)業(yè)發(fā)展。根據(jù)最優(yōu)插值結(jié)果，氣溫降水采用自然間斷點分級法(Jenks)分3類(表3)：高氣溫區(qū)(高溫)、中氣溫區(qū)(中溫)、低氣溫區(qū)(低溫)；高降水區(qū)(高水)、中降水區(qū)(中水)、低降水區(qū)(低水)。氣溫降水形成不同水熱組合區(qū)(圖4)。高溫—高水區(qū)主要在鳳岡—德江一帶，水熱狀況組合良好，有利農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。高溫—中水區(qū)在流域下游，主要為道真—務(wù)川—思南—石阡一帶，水熱組合較優(yōu)。該區(qū)域水熱組合良好，可適度開發(fā)農(nóng)業(yè)資源，積極培育宜溫濕作物。中溫—高水區(qū)在鳳岡周邊及普定—安順等區(qū)域，該帶氣溫適中，降水豐沛，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總體有利。中溫—中水區(qū)主要在流域中上游，呈現(xiàn)東西向狹長帶狀分布。低溫—高水區(qū)主要在流域上游南岸，氣溫較低，但降水豐沛。流域低溫—低水區(qū)主要在上游北岸畢節(jié)、赫章，降水氣溫組合不佳。發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，需克服不利因素。流域水熱組合條件良好區(qū)較少，不利農(nóng)業(yè)發(fā)展。但發(fā)展旅游業(yè)可利用低溫優(yōu)勢，夏季山地避暑旅游都是較好舉措。綜上看，流域水熱組合不均衡，優(yōu)良水熱組合(指高溫—高水區(qū))面積偏小，其他類型水熱組合面積偏大。

表3 自然間斷點分級劃分氣溫與降水區(qū)間

注：3類劃分自然間斷點分級適用于圖4；5類自然間斷點分級區(qū)間適用于圖5—6。

圖4 貴州烏江流域水熱組合空間分布特征

3 地形對氣溫與降水空間分布的影響

3.1 地形對氣溫分布的影響

烏江流域離海洋(太平洋、印度洋)較遠，氣溫分布除經(jīng)緯度影響外，地形成為重要因素，很多研究[20-21]已經(jīng)涉及地形對溫度影響。流域高差大，地形對氣溫影響不可忽視，該影響主要體現(xiàn)在海拔高度變化。總體看，流域氣溫從上游(赫章—水城)到下游(道真—沿河)逐漸升高。流域氣溫變化與海拔變化大致相反(圖5)。流域低氣溫區(qū)主要分布在大于1 500 m的上游，主要包括畢節(jié)、赫章、納雍、大方等。流域低氣溫區(qū)還有開陽周邊，該分布與局部環(huán)境有關(guān)。流域中部海拔主要在800～1 500 m，氣溫低于赫章等地。較低氣溫區(qū)面積大，占流域面積1/3左右。流域中氣溫區(qū)呈北寬南窄，該特點可能與北部山地有關(guān)。中氣溫區(qū)南部海拔在500～1 000 m，北部部分山地1 000～1 500 m。較高氣溫區(qū)主要在流域中下游道真、正安、務(wù)川、余慶等地，呈南北向帶狀分布。相對南部，較高氣溫區(qū)北部寬，可能原因如下：(1) 道真、正安、務(wù)川等屬于小范圍谷地，河谷盆地具有保溫作用；(2) 區(qū)域海拔降低，氣溫升高。氣溫高值區(qū)主要在流域東北部靠近重慶市附近，海拔較低，屬烏江下游。綜合看流域氣溫分布，自西南(上游)至東北(下游)逐漸升高，變化趨勢與海拔相反，該變化與河流流向基本一致。

圖5 貴州烏江流域地形對氣溫的影響簡單示意圖

3.2 地形對降水分布的影響

降水分布受地形影響，特別是山地迎背風(fēng)坡及特殊地形對降水影響已有較多研究[22-23]。流域海拔變化復(fù)雜，迎背風(fēng)坡變化較多，對降水產(chǎn)生顯著影響。總體看，流域降水變化呈東南(南)向西北遞減，西南部則由南向北遞減明顯(圖6)。從貴定—畢節(jié)(赫章)、安順—赫章降水總體逐漸減少且速度快，變化快與山地迎風(fēng)坡有關(guān)。降水受地形阻擋，產(chǎn)生地形雨，地形雨形成變化較快降雨帶。流域低降水區(qū)主要分布在上游北岸畢節(jié)—赫章。畢節(jié)—赫章降水相對較少，有以下原因：(1) 海拔較高。(2) 處于山地背風(fēng)坡。(3) 缺少濕潤氣流。畢節(jié)—赫章向東和東南，降水帶呈東西向狹長分布，該特征與谷地地形、山地海拔、夏季風(fēng)有關(guān)。黔西—納雍一帶屬谷地，谷地使氣流沿谷底上行，也對降水產(chǎn)生一定影響。該地屬南北山地(六盤水—織金東西向山地)背風(fēng)坡，多因素疊加使流域上游降水呈東西向狹長分布。普定—安順—織金一帶降水多，該帶屬夏季風(fēng)山地迎風(fēng)坡，地形阻擋增加降水。由于流域大環(huán)境相對濕潤，山地東西延伸，使高降水區(qū)面積較大。另一相對較高降水區(qū)位于鳳岡—德江迎風(fēng)坡，降水偏多。鳳岡—德江較高降水區(qū)分布大，呈東北—西南向，該特征與迎風(fēng)方向和面積有關(guān)，東北—西南向迎風(fēng)坡長且迎風(fēng)面大，使降水與山地走向密切相關(guān)。流域中降水區(qū)面積廣大，主要分布于中部。該區(qū)海拔較均勻，地形平坦，故降水分布較均勻，呈現(xiàn)大規(guī)模平緩降雨變化區(qū)。黔西降水少于周邊，可能與谷地入口有關(guān)。黔西屬氣流入口帶，風(fēng)速相對較快，降水受此地形影響，偏少于周邊。黔西周邊降水呈圓形分布，該變化可能與插值方法有關(guān)。

3.3 模型參數(shù)檢驗

由于地形包括坡度、海拔、坡向等多種因子，坡度、坡向等雖對氣溫、降水具有影響，但其影響程度不如海拔明顯。故本文僅模擬海拔對氣溫、降水的影響。氣溫模擬結(jié)果顯示(表4)，帶寬為71 319.04，殘差平方為2.21，有效數(shù)為11.76，擬合優(yōu)度R2為0.96，調(diào)整R2為0.94。擬合效果好。利用GWR探究氣溫空間影響較為合適，其模擬系數(shù)具有良好參考。降水模擬結(jié)果顯示，殘差平方為132 516.61，帶寬為71 319.04，有效數(shù)為11.76，擬合優(yōu)度R2為0.67，調(diào)整R2為0.48。利用GWR探究海拔對降水影響整體尚可，空間模擬趨勢具有一定的參考價值。

3.4 地形影響趨勢空間特征

海拔對氣溫影響呈負相關(guān)系數(shù)，空間影響趨勢并不一致(圖7)。隨海拔升高，氣溫處于下降趨勢。流域海拔每上升1 000 m，氣溫空間下降范圍3.3～6.0℃。海拔對氣溫影響程度下游、上游南部最明顯。下游和上游南部海拔升高1 000 m，氣溫下降多在5℃以上。流域中部海拔對氣溫影響相對較低，且均勻和緩。中部海拔升高1 000 m，氣溫空間下降約為3.3～4.3℃。整體影響來看，海拔對氣溫影響程度中部低，下游和上游南部較高，空間影響程度具有異質(zhì)性。出現(xiàn)以上變化特征，可能有以下原因：上游南岸山地為東西走向，1 800 m左右中高海拔區(qū)，海拔高氣溫越低，空間影響則越表現(xiàn)為明顯。下游地形起伏大，多河谷，小尺度內(nèi)氣溫變異明顯，海拔對氣溫影響屬于最明顯區(qū)域。雖然下游影響明顯，但下游變化趨勢不如上游密集，這說明高大山地對降水影響程度和復(fù)雜性高于低矮山地。中游地勢較為平坦，海拔影響也較為和緩，相對平坦地區(qū)對氣溫的影響程度和空間復(fù)雜性不如高海拔區(qū)和高起伏區(qū)明顯，故空間影響趨勢平緩且面積大。

圖6 貴州烏江流域地形對降水的影響簡單示意圖

表4 地理加權(quán)回歸模擬參數(shù)檢驗

海拔對降水影響正負均有，空間影響趨勢并不一致(圖7)。隨海拔升高，降水在流域上游呈負向關(guān)系，可能是上游海拔相對較高，地形雨到一定階段處于極限，降水不再持續(xù)增加，出現(xiàn)減少甚至焚風(fēng)干燥效應(yīng)，故表現(xiàn)為負影響。流域中游地形相對平坦，降水空間變化平緩，故中游地形對降水影響空間平緩分布。下游地形對降水影響呈東北—西南方向平緩變化，本文認為可能有以下原因：流域下游海拔相對較低，但地形起伏大，山脈為東北—西南方向，海拔對降水影響也呈東北—西南方向。此處地形雖起伏大，但多地區(qū)海拔不超過1 500 m，地形對降水影響有限。總體看，流域海拔每上升1 000 m，降水空間變化-1 412～607 mm，空間差異大。海拔對降水影響正負均有，流域上游影響主要為負向，流域中游大致為正向，但影響程度差異較大。定量探究海拔對降水影響需更多因素綜合探究，GWR僅能反映基本趨勢。

圖7 貴州烏江流域海拔對氣溫、降水空間影響趨勢

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

選擇貴州烏江流域作為研究案例，測度氣溫降水空間分異規(guī)律和地形影響。氣溫降水空間分布中，兩者均存在局部變化。西南山地眾多，山地直接導(dǎo)致氣溫降水分異。流域海拔差達2 000 m，氣溫垂直差異突出。流域氣溫垂直差異在下游更明顯，特別是下游河谷溫度高，兩側(cè)海拔高，小尺度垂直分異。降水受地形影響總體以宏觀為主，流域地形對降水影響最明顯是南部山脈影響。山脈對地形影響主要從迎風(fēng)“地形雨”和背風(fēng)坡的“焚風(fēng)效應(yīng)”凸顯，流域均存在這種效應(yīng)，特別是地形雨豐富的南部。

地形對氣溫影響更一致，隨海拔上升，氣溫處于下降趨勢。流域地形對氣溫影響空間趨勢不一致，具有區(qū)域特征。流域海拔上升1 000 m，氣溫空間下降3.3～6.0℃，降幅明顯低于標(biāo)準大氣壓下6℃?？赡苁橇饔蛑黧w海拔1 000～1 500 m左右，該階段氣壓會發(fā)生明顯變化。地形對降水影響復(fù)雜，有些是正影響，有些是負影響。正影響和負影響是大區(qū)域尺度整體結(jié)果，小尺度流域是否存在該特征尚且不知。

利用空間插值探究流域氣溫降水空間分布特征，可為流域開發(fā)提供參考。空間插值是探究氣溫降水空間分布的重要手段，但空間插值只是空間模擬，在山區(qū)具有局限性。本文結(jié)合多種方法，選擇最優(yōu)結(jié)果，其結(jié)果相對精確。但山區(qū)小尺度存在不確定性，特別是垂直變異明顯的氣溫要素。氣溫降水因素劃分過程中，文章采用自然間斷點分級。若換成不同分級方法，流域水熱組合是否會發(fā)生大變化需進一步探究。因此，本文尚可進一步延伸：(1) 尋求自動站氣象數(shù)據(jù)，探究山地流域氣溫降水空間分布規(guī)律，特別是局部分布規(guī)律是否存在差異。(2) 氣溫空間分布過程中，空間插值考慮海拔高度影響，其空間特征是否不同。(3) 尋找合適模型，探究地形對氣溫降水局部影響。

4.2 結(jié) 論

(1) 貴州烏江流域氣溫從上游(赫章—水城)至下游(沿河—道真)總體逐漸升高，氣溫與海拔變化大致呈相反關(guān)系。流域氣溫從上游赫章—畢節(jié)(多1 500 m以上)向沿河(500 m左右)逐漸升高。隨海拔降低，氣溫逐漸升高。

(2) 貴州烏江流域降水總體從東南(南)向西北逐漸減少，織金—普定—安順等迎風(fēng)坡降水較多。流域降水從東南(南)向西北遞減，西南降水受地形影響，遞減較快，東部則不明顯。降水較多地區(qū)多在大型山地迎風(fēng)坡，如織金—安順一帶山地迎風(fēng)坡。

(3) 貴州烏江流域水熱組合不均衡，水熱組合良好區(qū)域偏少，生產(chǎn)生活需要“因溫因水”制宜。貴州烏江流域高溫—高水及高溫—中水等水熱組合良好區(qū)域總體偏少，主要分布在流域下游地區(qū)。流域中上游多區(qū)域水熱組合相對不佳，不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，可考慮特色優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

(4) 貴州烏江流域海拔對氣溫具有負影響，空間變化3.3～6.0℃，其影響程度下游、上游南部高，中游低。流域氣溫對海拔空間影響呈負向趨勢，空間影響程度具有異質(zhì)性。

(5) 貴州烏江流域海拔對降水影響空間差異大，GWR模擬空間影響正負均有，流域上游負影響，中游正影響。海拔對降水影響在空間上差異大，海拔每上升1 000 m，降水空間變化-1 412～607 mm。GWR回歸顯示，流域上游負回歸系數(shù)，中游正回歸系數(shù)。